创新物理演示实验.docx

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创新物理演示实验

物理演示实验

1麦克斯韦速率分布

一、演示目的：

通过伽尔顿板模拟空气分子的麦克斯韦速率分布规律。

二、装置和原理：

如图七所示，当转动伽尔顿板时，内部的钢球按一定的数量规律分布在小槽内。

气体分子始终在做无规则热运动，速率范围从零到数千米╱秒。

对一定量的、温度确定的气体，它的速率分布是有规律的，这里我们举例说明，设在一定的体积内，有一万个空气分子，它的速率分布如下表所示：

单位：

m/s

速率范围

0~100

100~200

200~300

300~400

400~500

分子个数

600

900

1200

1400

1700

速率范围

500~600

600~700

700~800

800~900

>1000

分子个数

1330

1140

800

500

400

实验中每一小槽代表速率区间，小槽内的钢球数代表这一区间内的分子个数。

其中有一个小槽内的分子数最多，我们把这一速率叫做最概然速率，将这一速率分布的曲线叫做麦克斯韦速率分布规律。

对于特定的温度它的分布规律是确定的，对不同的温度有不同的分布曲线：

如图八所示。

三、应用示例：

因为对体积一定气体分子的数量是巨大的，运动又是杂乱无章的，定量研究非常困难，所以必须应用统计规律进行研究，而这一规律就是麦克斯韦速率分布。

2热力学第二定律的开尔文表述

一、演示目的：

验证热力学第二定律中的开尔文表述：

“不可能制造这样一种机器，在一个循环动作后，只从单一热源吸收热量，使之全部变成功，而不产生其他影响。

”所以本实验要演示在一个循环动作后，从高温热源吸收热量送到低温热源，而对外做功。

这就是热力学第二定律。

二、装置和演示说明：

如图所示，为一用胶条为辐条的转轮，在下侧左右分布两个射灯。

当打开左边射灯后，左下侧的胶条受热产生收缩的同时将轮轴拉向左下方，这是整个滚轮的重心偏向右上方。

滚轮在重力矩作用下，做顺时针旋转。

当受热的辐条转离受热区后，胶条恢复原长，所以转轮会连续转动下去。

这里的高温热源为射灯照射的区域，冷却的区域为低温热源。

热量通过胶条从高温热源向低温热源传递，从而对外做功，推动轮子转动。

如果不照射，这时只有一个热源，轮子不会转动，也就不会做功。

从而验证了热力学第二定律。

三、应用示例：

第一类永动机违反热力学第一定律（即能量守恒定律），所以不可能实现；而第二类永动机违反了热力学第二定律也是不可实现的。

长期以来很多人不懂热力学的二个定律，所以设计的永动机都以失败而告终。

3热效率演示仪

一、演示目的：

利用半导体组件分别演示热机与制冷机的工作原理，热机效率、热力学第二定律、塞贝克效应和帕耳帖效应。

二、装置和原理：

如图所示，装置为温差发电组件片，它的一面为A，另一面为B。

当装置的A部分与高温热源接触，B部分与低温热源接触。

那么高温度热源就将热量传递给低温热源，同时产生电能对灯泡和电机做功，这就是塞贝克效应。

它类似于汽车发动机的工作原理，发动机内汽油的燃烧为高温热源，外面的空气为低温热源，当发动机工作时，高温热源不断地将热量传递给低温热源，同时对外做功，使汽车运动。

原理如图Ⅰ所示，其T2，T1分别为高、低温热源的温度，热机效率为

。

当将组件接上电源时，以水槽中的水作为高温热源，以组件的上表面作为低温热源，在电流做功下，热量将从低温热源传递给高温热源，工作原理如图Ⅱ,也就是制冷机的工作原理，即帕耳帖效应。

三、演示内容：

热机的原理：

在液槽中注入冰水混合物，充当低温热源，将电热器与温差组件的上平面接触，以充当高温热源，也可用一杯热水代替电热器。

当热量从高温热源传递到低温热源的过程中，电机转动，这说明对外做功。

制冷机的原理：

将组件有字的一面在上并滴几滴水以充当低温热源，以水充当高温热源。

当外界给组件提供电能时，也就是外界对组件做功时，热量将从低温热源传递给高温热源，组件的上表面放热，使水变成冰。

四、应用示例：

为了提高热机的效率，必须使高温热源与低温热源的温差加大。

可利用海水表面与深水区的温差发电。

半导体电冰箱的开发将取代传统的冰箱。

4声波波形演示

一、演示目的：

通过示波器观察电子琴的音乐信号与麦克风的语言信号波形。

二、原理与演示内容：

如图所示，电子琴和麦克风可分别发出音频信号给示波器与扬声器。

调整好示波器，可在示波器上同时看到音乐和声波波形，通过扬声器又可同时听到音乐与唱歌声。

5空气中的驻波

一、演示目的：

演示空气中的驻波现象，并能测出波长与声速。

二、原理和演示内容：

如图所示，为一根玻璃管，它的一端封闭，另一端固定一个扬声器，管内放入一些很轻的泡沫碎屑。

通过信号源给扬声器提供一个音频讯号。

调节信号源频率与输出大小，当驻波形成时，管中的碎屑将按驻波的规律分布。

扬声器发出的声波为入射波，它在另一封闭端发生反射，产生反射波。

当入射波与反射波在管中叠加并满足干涉条件时，管中将有驻波产生，通过碎屑的分布与运动可判断驻波的波腹与波节的位置。

碎屑运动强烈的地方为波腹，运动弱的地方为波节。

当相邻两波节间的距离为

，信号源频率为f时，可求出声速

。

三、应用示例：

乐器中的管乐器是根据管中的空气驻波原理发声的。

6受迫振动与共振

一、演示目的：

演示弹簧振子的受迫振动，当外加振动频率等于弹簧振子的固有频率时，弹簧振子将发生共振现象。

二、演示内容：

如图所示，直流电源通过可变电阻器给直流电机提供工作电流，调节直流电源的输出电压为适当值，改变可变电阻的阻值，可改变通过电机的电流，从而改变电机的转速，在电机的轴上固定一个偏心装置，电机每转一圈相当于给弹簧振子一个强迫力，那么电机的转速就相当于外加振动的频率，当这一频率与弹簧振子的固有频率相同时，将发生共振。

通过实验可观察到当外加频率小于或大于固有频率时，无共振发生，它为振幅有限的受迫振动。

当外加频率等于固有频率时，弹簧振子将作大幅度的振动。

三、应用示例：

在机械与建筑设计中，必须使设计物的固有频率远离外加振动的频率，才能防止共振所带来的破坏。

7固体的驻波

一、演示目的：

演示钢丝的驻波现象和驻波产生的条件。

二、原理和演示内容：

当机械波沿钢丝传播时，在钢丝的端点可发生反射，这时入射波与反射波在钢丝上将产生干涉现象，当满足一定条件时，在钢丝上将形成固定的驻波。

将信号源的输出连接在打点计时器上，并在打点计时器上固定一根钢丝，调节信号源的频率，当调节到某些特定频率时，在钢丝上可看到明显的驻波现象。

三、应用示例：

弦乐器的发声是由驻波产生的，通过改变弦的张力和弦的长度可改变发声频率。

8静电防尘与避雷针

一、演示目的：

1.模拟雷击现象，演示避雷针的作用；

2.用高压静电进行静电除尘。

二、原理与内容：

如图所示，高压静电的两个输出分别连接上下两个极板，上板代表带电的空气团，与下板相连的金属球代表建筑物，当有高压静电时，金属球与上极板间产生火花放电，表示建筑遭雷击，当使用避雷针后，由于尖端放电效应，避雷针与上极板间产生放电，而建筑物不会遭雷击。

如图所示，当无高压静电作用时，烟囱的烟是黑色的，当高压静电作用于烟囱的两个电\极时，高压静电产生的强电场使烟中的黑色颗粒沉淀。

三、应用示例：

1.静电除尘可以有效清除烟尘对空气的污染，做到无黑烟工厂。

2.避雷针可使高的建筑物避免遭雷击的可能。

9气体的自激导电，阴极射线

一、演示目的：

演示在低气压条件下的稀薄气体在高电压下产生自激导电的现象；运动电荷在磁场中所受的洛仑兹力和方向。

二、原理和演示内容：

当电子或离子在电场作用下获得高速运动而与气体分子碰撞，分子电离。

新形成的电子和离子若又与获得高速的分子碰撞，则将形成连锁反应，产生自激导电，可看到放电现象。

其中电子由阴极向阳极运动，离子由阳极向阴极方向运动。

这时管外加一磁场，可看见运动电荷在洛仑兹力的作用下，运动轨迹发生偏转。

1.将高压感应起电机的两个输出端接在低压放电管的两极，其中与负极连接的为阴极，与正极连接的为阳极，打开电源后可看见放电现象。

当高压分别加在不同气压的放电管时，它们的放电现象会有一定的区别。

2.用永久磁铁靠近正在工作的放电管，管中电荷的运动方向发生偏转。

当改变磁场方向时，偏转方向将发生改变。

三、应用示例：

霓红灯灯管内放入不同的稀薄气体时，当外加高压电时，管内气体产生自激导电，灯管可发出不同颜色的光。

10磁力演示仪

一、演示目的：

演示磁体同性相斥，异性相吸的特性。

二、原理与演示内容：

如图所示:

水槽内漂浮六个小磁体，当上方的大磁棒处在高处时,水槽中的六个小磁体相互排斥并分离,当大磁棒下降时,大磁棒对小磁体的吸引力大于小磁体间的相互排斥力。

三、演示内容：

1.升起大磁棒,六个小磁体因相互排斥而分离。

2.使大磁棒下降,大磁棒作用于六个小磁体.因大磁棒对小磁体的作用力大于小磁体间的相互作用力，使小磁体相互靠近。

11地球磁场

一、演示目的：

采用永久磁铁模拟地球磁场，说明地理南北极之间与地磁南北极的角度为磁偏角，并通过磁针指示地球磁场的方向。

二、原理和演示内容：

如图所示，条形磁铁可绕一个竖直轴作水平转动，当改变地球磁场方向时，周围的磁针方向也跟着转动。

放置条形磁铁使它的方向与地理南北极方向成一磁偏角，这时磁针指向为地磁南北极的方向而不是地理南北极的方向。

三、应用示例：

在用指南针进行野外旅行导向时，掌握各处磁偏角的规律，才能找到真正的地理南北极。

12电磁波的发射、接收与趋肤效应

一、演示目的：

1.演示电磁波的基本特性及其发射、接收原理。

2.利用电磁波的电场演示电流的趋肤效应。

二、装置和原理：

如图所示：

发射机产生电磁波，并通过天线向周围发射，用不同长度的接收天线接收电磁波，改变接收天线的位置、方向可使小电珠发生亮度变化，以此来演示电磁波的分布、方向以及趋肤效应。

三、演示内容：

1电磁共振：

使发射机工作，移动半波振子接收天线，使它与发射天线正对并且平行，改变天线长短。

只有当天线为某一长度时，小灯最亮，说明接收天线的固有频率与发射频率相同，在接收回路产生共振，小灯最亮。

2电场方向：

将半波振子天线绕轴旋转时，只有当接收天线与发射天线平行时，小灯最亮，说明电场方向与接收天线杆平行。

3磁场方向：

移动环形接收天线，当处在发射天线的中部时，小灯最亮。

说明中间磁场最强，两端最弱。

当转动环形天线时，水平时，小灯最亮。

说明磁场垂直于水平方向，并与电场保持垂直。

4发射天线的电压振幅：

将氖泡靠在发射天线上并沿天线移动，发现氖泡在两端最亮，在中部不亮，说明发射天线上的电压振幅分布为两端最大，中部最弱。

5高频电流具有趋肤效应：

将两个灯泡分别接在铜棒的边缘和中心，当打开直流电源时，两个灯泡亮度相同。

说明直流电无趋肤效应。

当关闭直流电，使它接收高频电磁波时，导线中将产生高频电流，接铜棒边缘的电珠最亮，说明对高频电流而言，电流主要从导线的边缘流出。

四、应用示例：

无线电收音机、电视机、无线电通讯都采用了上述发射与接收原理。

由于它们的波长有很大区别，决定了天线的长短与形状的不同。

一般来说，天线的尺寸总是与波长相对应。

发射与接收都是采用电磁共振原理。

13光的反射与折射

一、演示目的：

通过采用暗箱的烟雾来显示光路，演示光的反射和折射定理。

二、原理和演示内容：

此演示装置是为一面带有玻璃的暗箱。

在箱内放有一玻璃水槽，水槽内放入一定量的清水，在水中放入一些悬浮物质，在箱底部放上点燃的黑蚊香以形成烟雾。

在箱的左上方放置一个激光光源，使它以一个角度照射到水面上，并且角度可以改变。

当入射光射到水面上时将发生反射和折射现象，并且入射角等于反射角，折射角小于入射角。

在烟雾中可清楚看见入射光与反射光的光路，在水中可看见折射光的光路。

三、应用示例：

光的反射与折射规律是几何光学的基础，而几何光学在生产实践中有着最广泛的应用。

14大气散射

一、演示目的：

观察微小颗粒的瑞利散射与波长的关系。

二、原理与演示说明：

如图所示，光源经过聚焦以一束平行光射入水箱，当水箱内为清水时，水对入射光没有散射，屏上出现一个光斑。

当将硫酸与大苏打在水中混合时，产生了悬浮于水中的硫磺颗粒。

光照射这些颗粒时，将对入射光产生瑞利散射，它是指半径远小于光波波长的球形粒子对光的反射，散射随着波长的减小而增强，蓝光波长短，散射强；红光波长长，散射弱而发生透射。

散射光呈微蓝色，屏上出现橘红色光斑。

这说明入射光中波长短的光易被散射，波长长的散射弱，这与天空的蓝色与晚霞的红色是一个道理。

15高压带电作业

一、演示目的：

演示高压带电作业,用以说明静电学中电位差和等电位的概念。

二、原理和演示内容：

如图所示为高压线装置，它由静电电源提供15000伏的高压.当表演者站在带绝缘的铝板上时,当铝板与高压线连接时,铝板与高压线等电位,表演者可直接接触高压线的任何部位进行带电作业而没有任何危险。

三、应用示例：

在实际电工操作中，电路检修常常需要在带电的情况下进行，操作者保持等电位可保证操作者安全。

16超导磁悬浮列车演示

一、演示目的：

1.利用超导体对永磁体的排斥作用演示磁悬浮。

2.利用超导体对永磁体的吸引作用演示磁倒挂。

二、装置和原理：

1.超导体与超导现象：

目前，最常见的超导体是YbaCuO体,它的温度低于

时，它的电阻将为零,并出现许多特有的物理现象。

2.当超导体在由上往下接近永磁体时,磁通量从表面进入超导体内,在超导体内形成很大的磁通密度梯度,排斥力随相对距离的减小而逐渐增大,克服重力并悬浮在永磁体上方一定高度上;当超导体远离磁体移动时,在超导体中产生一负的磁通量,感生出反向的临界电流,并产生引力使其倒挂在永磁体下方的某一位置上。

三、演示内容：

1.磁悬浮:

将超导体在液氮中浸泡3-5分钟,再用竹夹子夹出,并放在磁体中央保持稳定后,再沿轨道轻推样品,使它沿轨道作周期性运动。

2.磁倒挂:

将轨道翻转向下并固定,把超导体放在轨道的下方,其它与上同方法。

四、应用示例：

超导技术有着重要的应用与发展前景，但低温超导限制了它的发展。

随着高温超导材料的不断发现，它的应用越来越广。

它在电子领域里的应用可以产生革命性的变化。

17气体流速与压强成反比

一、演示目的：

定性验证伯努力方程中流速大处压强小,流速小处压强大。

二、原理和演示内容：

如图所示：

隔离罩内有圆行叶片,它可在直流电机的作用下绕轴旋转。

当叶片旋转时,周围的空气也以一定的速度作圆周运动，在叶片各处的角速度都相同,但半径不同。

由公式

可知：

半径越大,速度也越大。

那么叶片中部的气体速度大于上下两端，根据速度大、压强小\的原理，下面的纸圆环被吸到中部。

三、应用示例：

飞机飞行时，机翼下方的空气流速小于上方，那么机翼下方产生的空气压强大于机翼上方产生的向下压强，从而产生升力。

18投影式库仑扭秤

一、演示目的：

采用库仑扭秤和投影仪定量演示库仑定律。

二、原理和演示：

如图所示：

灵敏度很高的扭秤是通过扭秤的弹性力矩与库仑力矩的平衡关系来测量微小库仑力的。

将摩擦起电产生的静电荷传递给A、B带电球，使它们带上等量的同号电荷；通过移动标尺可改变它们间的距离r，通过测力标尺可观察到相互作用力

，由库仑定律公式：

当电量不变，距离改变为

时，相互作用力

=

。

由力的标尺可看到

的关系，从而验证库仑定律。

19热胀冷缩与微小形变量

一、演示目的：

采用光杠杆与激光光源演示钢丝在力的作用下微小的伸长量、钢丝在热胀冷缩时所产生微小形变量。

二、原理与演示内容：

如图所示，当力作用于钢丝时，钢丝将产生微小的形变量。

这时光杠杆的反射面将发生变化，反射光点发生改变，将钢丝的伸长量放大几十~几百倍，从而显示微小伸长量。

当用酒精灯加热钢丝时，钢丝将伸长，反射光点也发生改变。

20光的干涉、衍射和偏振现象

一、演示目的：

采用激光光源演示双缝干涉，单缝、光栅和圆孔衍射，说明光具有波动性，用激光光源与偏振片演示光的偏振性。

二、原理与演示说明：

光在通常情况下是沿直线传播的，说明光具有粒子性，同时光还具备波动性，这可从光的干涉、衍射与偏振等现象得到结论。

①双缝干涉：

用激光光源垂直照射双缝，在屏上可看见等宽的明暗相间的干涉条纹。

②光的衍射：

用激光光源照射单缝，在屏上可看见中央有一条很亮很宽的条纹，在它的两侧对称地分布着明暗相间的条纹；用激光照射小圆孔，在屏上可看见环状的条纹，圆心处有一很大的亮斑，被称为爱里斑。

用激光照射光栅，在屏上会出现较窄的、亮度较大的、等间隔条纹。

③光的偏振：

当激光透过一块偏振片时，透射光为偏振光，它的光强降为一半，透过第二块偏振片时，并且沿光轴转动偏振片时，透射光强发生周期性变化，当转动一圈时，光强将由亮—>暗—>亮—>暗—>亮变化。

三、应用示例：

光栅广泛地应用于光谱分析中。

由于圆孔衍射产生爱里斑，它将影响光学仪器与人眼的分辨率。

观看立体电影必须用偏振片。

21锥体上滚轮

一、演示目的：

通过锥体上滚轮沿轨道上滚的现象,说明物体总是以降低重心,力求稳定的规律。

二、装置和演示说明：

如图所示为双锥体沿轨道上滚装置：

双锥体可以自动沿轨道上滚,但重心却总是下降的，这可以通过图示与尺子的实际测量来说明。

三、应用示例：

单摆运动总是趋于重心最低的平衡位置，物体的重心越低就越稳定。

22角动量守恒

一、演示目的：

一个转动体系在合外力矩为零时,物体的角动量守恒。

二、原理和演示说明：

如图所示:

当人手握哑铃坐在转椅上时,先伸直并转动转椅,然后收回哑铃,发现转椅转速加快;当又伸直时,转速复原.分析如下：

哑铃在伸直时,人与哑铃的转动惯量为

角速度为

，角动量为

；收回时为

角速度为

，角动量为

。

转动惯量决定于物体离转轴的距离，距离越大，

也越大，那么

>

。

由角动量守恒关系，在转动过程中角动量不变：

，

一定有:

。

三、应用示例：

1.运动员在空中转体时，身体的收缩越紧，转动惯量就越小，旋转也越快。

2.人造卫星绕地球旋转时，近地点转动惯量小，转速大；远地点转动惯量大，转速小。